一種基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)系統(tǒng)，水池（2）的外壁面上安裝有水泵（21）、光源（1）、平行水流方向的攝像機(jī)A（3）和對(duì)照板A（5）、垂直水流方向的攝像機(jī)B（4）和對(duì)照板B（6），張力支撐板（17）上設(shè)置有電機(jī)支撐架（9），電機(jī)支撐架（9）與水池（2）底部之間沿從上到下的方向設(shè)置有順次連接的上部連接結(jié)構(gòu)、隔水管（8）和下部連接結(jié)構(gòu)；還公開(kāi)了試驗(yàn)方法。本發(fā)明的有益效果是：能夠全面準(zhǔn)確真實(shí)的模擬隔水管在深海鉆井工況下與海洋環(huán)境耦合作用下的力學(xué)行為、該裝置能夠模擬海洋環(huán)境、能施加隔水管頂部張力、能模擬不同轉(zhuǎn)速的鉆柱旋轉(zhuǎn)以及施加不同的鉆壓。
【專利說(shuō)明】—種基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]中國(guó)南海油氣資源豐富，石油地質(zhì)儲(chǔ)量300億噸，約70%蘊(yùn)藏在深海，我國(guó)未來(lái)油氣勘探開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略目標(biāo)將轉(zhuǎn)向深海。開(kāi)采深水油氣資源，除鉆井平臺(tái)外，隔水管也非常重要。隔水管是連接平臺(tái)與海底防噴器的關(guān)鍵設(shè)備。在深水鉆井過(guò)程中，鉆具與鉆井液要通過(guò)數(shù)千米水深的隔水管，隔水管既受到海洋環(huán)境的影響，同時(shí)又受到鉆柱、鉆井液、隔水管張力等鉆井工況的影響，在二者耦合作用下，隔水管易發(fā)生失效進(jìn)而影響深水鉆井的安全。因此，開(kāi)展基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為研究對(duì)于深水鉆井具有重要意義。然而，這種復(fù)雜非線性流固耦合問(wèn)題難以采用數(shù)值方法進(jìn)行研究，因此，利用物理試驗(yàn)研究隔水管力學(xué)行為是非常有必要且行之有效的手段。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了不同結(jié)構(gòu)形式、不同材料、不同長(zhǎng)細(xì)比、不同海流環(huán)境下的隔水管力學(xué)行為的研究，而由于研究目標(biāo)和內(nèi)容不同，在試驗(yàn)臺(tái)架的搭建上有著較大的差異。
[0004]例如在中國(guó)專利申請(qǐng)201210079411.5號(hào)中公開(kāi)了一種海洋立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)中施加內(nèi)流與頂張力的系統(tǒng)，該專利主要包括支架、上下連接鉸、滑輪、鋼鉸線、進(jìn)出水管，上下鉸接件通過(guò)螺紋連接固定于支架上下兩端，自上鉸接件引出的鋼絞線通過(guò)支架頂部滑輪的凹槽進(jìn)行配重，進(jìn)出水管安裝于上下鉸接建上且均可作為進(jìn)水管或出水管。該裝置引入立管模型內(nèi)部流體但并未提及內(nèi)部流體流速的精確控制，且該試驗(yàn)裝置主要針對(duì)采油生產(chǎn)立管進(jìn)行研究，并未考慮深水鉆井工況因此未能在裝置設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮鉆柱、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)等因素。以該裝置為臺(tái)架所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)采用光纖光柵傳感器為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的手段，費(fèi)用昂貴且容易造成傳感器的損壞，后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理也需要較高的數(shù)學(xué)能力。
[0005]又例如中國(guó)專利申請(qǐng)200610025220.5號(hào)中公開(kāi)了一種并行式深水造流系統(tǒng)及方法，該專利所述水池包括六層造流裝置、每層裝置主要包括水泵和變頻器，進(jìn)出水管道，每層進(jìn)出水管道間安裝有連通管道和控制閥，調(diào)節(jié)控制閥便可以改變各層造流裝置所含水泵的驅(qū)動(dòng)能力的合理分配而造出不同形式的流，但是就單從研究隔水管力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)其占地面積龐大，建造成本與試驗(yàn)費(fèi)用過(guò)高且未實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程的可視化。
[0006]再例如中國(guó)專利申請(qǐng)200910237488.9號(hào)中公開(kāi)了一種細(xì)長(zhǎng)立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的立管模型端部固定裝置，該裝置主要包括拖車、左右支撐裝置、滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、張力系統(tǒng)，其中滑動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括基座、與左支撐裝置連接的滑軌、滑塊，張力系統(tǒng)主要包括安裝在左支撐裝置上的彈簧、張力計(jì)、張緊器。如該專利所述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以拖車拖動(dòng)立管模型的方式模擬均勻來(lái)流，該方法對(duì)于流速更為容易精確控制，然而立管模型中部因自重出現(xiàn)彎曲、立管模型的啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的慣性力對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)較大并且該實(shí)驗(yàn)裝置未考慮在立管模型內(nèi)部通流體，加入鉆柱模型，更未考慮平臺(tái)運(yùn)動(dòng)等鉆井工況。以該裝置為臺(tái)架所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)在拖曳水池中進(jìn)行難以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的可視化且采用光纖光柵傳感器為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的手段，費(fèi)用昂貴且容易造成傳感器的損壞。
[0007]綜上，各個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的差異主要取決于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取、實(shí)驗(yàn)過(guò)程是否實(shí)現(xiàn)可視化、海洋環(huán)境與鉆井工況是否藕合作用。針對(duì)隔水管在實(shí)際鉆井過(guò)程中的工況，為進(jìn)一步深入的研究隔水管力學(xué)行為有必要研制海洋環(huán)境和鉆井工況耦合作用、實(shí)驗(yàn)過(guò)程隔水管模型動(dòng)態(tài)可視化、且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取方便準(zhǔn)確的隔水管力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)裝置。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種能夠在室內(nèi)模擬海洋環(huán)境和鉆井工礦的耦合作用，真實(shí)再現(xiàn)深海鉆井時(shí)隔水管的實(shí)際工程工況，從而真實(shí)全面的模擬研究隔水管的力學(xué)行為的基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法。
[0009]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)系統(tǒng)，它包括由透明材質(zhì)組成的水池、計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)裝置、橫梁、內(nèi)流泵和控制箱，水池的外壁面上安裝有水泵、光源、平行水流方向的攝像機(jī)A和對(duì)照板A、垂直水流方向的攝像機(jī)B和對(duì)照板B，水泵的出水口與水池內(nèi)部連通，橫梁垂直于對(duì)照板A且設(shè)置在水池的頂部，所述的運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)裝置由絲桿螺母副A、絲桿螺母副B和絲桿螺母副C組成，絲桿螺母副A、絲桿螺母副B和絲桿螺母副C均由絲桿、螺母、伺服電機(jī)A和機(jī)座組成絲桿螺母副A，絲桿螺母副A、絲桿螺母副B和絲桿螺母副C相互垂直設(shè)置，絲桿螺母副A垂直于橫梁且安裝在橫梁的頂部，絲桿螺母副B的機(jī)座設(shè)置在絲桿螺母副A的螺母上，絲桿螺母副C的機(jī)座設(shè)置在絲桿螺母副B的螺母上，絲桿螺母副C的螺母上設(shè)置有平行于水池底部的張力支撐板，張力支撐板上設(shè)置有電機(jī)支撐架，電機(jī)支撐架與水池底部之間沿從上到下的方向設(shè)置有順次連接的上部連接結(jié)構(gòu)、隔水管和下部連接結(jié)構(gòu)，
所述的上部連接結(jié)構(gòu)由伺服電機(jī)B、上三通管道、液壓缸1、連接板、拉力傳感器A、隔水管懸掛器和上鉸接件組成，伺服電機(jī)B垂直于張力支撐板且設(shè)置在電機(jī)支撐架的頂部，伺服電機(jī)B的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器連接上夾持刀桿，伺服電機(jī)B上設(shè)置有電機(jī)支架，電機(jī)支架上設(shè)置有固定支撐座，上夾持刀桿旋轉(zhuǎn)安裝于上固定支撐座的軸孔內(nèi)并通過(guò)鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)上夾持刀桿沿其軸線方向的定位，固定支撐座的下端設(shè)置有上三通管道，上夾持刀桿的下端伸入上三通管道內(nèi)，液壓缸I垂直于張力支撐板且設(shè)置在張力支撐板的底部，液壓缸I活塞桿上設(shè)置有平行于張力支撐板的連接板，連接板的頂部設(shè)置有上鉸接件，連接板的底部順序設(shè)置有拉力傳感器A和隔水管懸掛器，所述的上三通管道的另一端穿過(guò)張力支撐板且設(shè)直在上絞接件內(nèi)，
所述的下部連接結(jié)構(gòu)由液壓缸I1、拉力傳感器B、軸承座、下三通管道、L板、下鉸接件和下夾持刀桿組成，L板的長(zhǎng)板和液壓缸II均垂直于水池底部且設(shè)置在水池的底部，下鉸接件設(shè)置在L板的短板上，下鉸接件的下端連接有下三通管道，液壓缸II的活塞桿上設(shè)置有外螺紋，軸承座的底部設(shè)置有內(nèi)螺紋且軸承座內(nèi)設(shè)置有滾動(dòng)軸承，液壓缸II活塞桿的外螺紋與軸承座的內(nèi)螺紋連接，下夾持刀桿的一端安裝在滾動(dòng)軸承內(nèi)，下夾持刀桿的另一端伸入下三通管道內(nèi)，液壓缸II的活塞桿的外螺紋上連接有拉力傳感器B，且拉力傳感器B設(shè)置在軸承座和液壓缸II之間，
所述的隔水管的一端與隔水管懸掛器連接，隔水管的另一端設(shè)置在下鉸接件內(nèi)，鉆柱設(shè)置于隔水管內(nèi)且鉆柱的上端安裝于上夾持刀桿上，鉆柱的下端安裝于下夾持刀桿上，
所述的橫梁的底部設(shè)置有兩個(gè)垂直于橫梁的懸掛桿，兩個(gè)懸掛桿的下部分別連接有多普勒剖面流速儀，所述的內(nèi)流泵的出水口與下三通管道連接，
所述的內(nèi)流泵、控制箱、攝像機(jī)A、攝像機(jī)B、光源和兩個(gè)多普勒剖面流速儀均與計(jì)算機(jī)連接，絲桿螺母副A、絲桿螺母副B、絲桿螺母副C的伺服電機(jī)A和伺服電機(jī)B均與控制箱連接。
[0010]所述的橫梁的頂部設(shè)置有橫梁支架。
[0011]所述的張力支撐板的底部設(shè)置有兩個(gè)液壓缸I，兩個(gè)液壓缸I關(guān)于隔水管對(duì)稱設(shè)置。
[0012]一種基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的深水鉆井隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)方法，它包括以下步驟:
51、調(diào)節(jié)水池參數(shù)，先通過(guò)調(diào)節(jié)水泵流量，從而改變管道中水流速度，以達(dá)到改變每層水流流速的目的，再通過(guò)多普勒剖面流速儀的實(shí)時(shí)反饋模擬的海流速度進(jìn)行必要的水池參數(shù)修正從而進(jìn)行校流，以此確保試驗(yàn)所需海洋環(huán)境的準(zhǔn)確施加；
52、隔水管張力施加，通過(guò)控制液壓缸I的活塞桿伸出帶動(dòng)連接板向下運(yùn)動(dòng)，連接板給拉力傳感器A施加壓力，拉力傳感器A實(shí)時(shí)的測(cè)量隔水管張力施加的大小，從而實(shí)現(xiàn)隔水管張力的施加；
53、鉆柱張力施加，流水泵輸出的鉆井液通過(guò)下三通管道進(jìn)入隔水管內(nèi)部并向上流動(dòng)，控制液壓缸II的活塞桿伸出帶動(dòng)軸承座向上運(yùn)動(dòng)，最終從上三通管道的出水口流出，并通過(guò)控制液壓缸II的活塞桿伸出帶動(dòng)軸承座向上運(yùn)動(dòng)，液壓缸II的活塞桿給拉力傳感器B施加壓力，從而實(shí)現(xiàn)鉆柱張力的施加；
54、鉆柱轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，通過(guò)控制箱實(shí)時(shí)控制伺服電機(jī)B的轉(zhuǎn)速，伺服電機(jī)B通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)上夾持刀桿轉(zhuǎn)動(dòng)，上夾持刀桿帶動(dòng)鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鉆柱轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；
55、先通過(guò)攝像機(jī)A和攝像機(jī)B拍攝隔水管軸向在試驗(yàn)過(guò)程中平行水流方向以及垂直水流方向在不同時(shí)刻的變形特征，再將拍攝的圖片分別與對(duì)照板A和對(duì)照板B圖像的對(duì)比，并基于圖像處理技術(shù)以及攝像機(jī)、隔水管與對(duì)照板的視角換算獲得試驗(yàn)過(guò)程中隔水管軸向不同位置在平行水流方向以及垂直水流方向上的位移時(shí)間歷程，繼而獲得試驗(yàn)過(guò)程中的隔水管的變形特征與振動(dòng)特征。
[0013]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)本發(fā)明設(shè)置了試驗(yàn)水池和各個(gè)鉆井工況模擬系統(tǒng)，因此隔水管實(shí)際工況各個(gè)因素完備對(duì)于深海鉆井工況的模擬具有最高的真實(shí)性，對(duì)于隔水管力學(xué)行為的研究最為全面。(2)本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)的觀測(cè)到隔水管模型的軸向不同位置在平行水流方向以及垂直水流方向上的位移時(shí)間歷程，繼而獲得試驗(yàn)過(guò)程中的隔水管模型的變形特征與振動(dòng)特征，縮短了數(shù)據(jù)處理的周期。(3)本發(fā)明采用了運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)總成與連接板的連接，因此通過(guò)控制器控制絲桿螺母副A、絲桿螺母副B和絲桿螺母副C分別在x、y和z方向的精確移動(dòng)，即可模擬真實(shí)鉆井過(guò)程中各種平臺(tái)的升沉平移動(dòng)作。(4)本發(fā)明的隔水管張力施加和鉆柱張力施加的動(dòng)力源采用液壓的方式，因此，張力施加準(zhǔn)確且有利于避免出現(xiàn)擾動(dòng)保持恒定。(5)本發(fā)明水池所用為透明材料，因此有利于觀察在試驗(yàn)過(guò)程中隔水管模型的變形和振動(dòng)使試驗(yàn)結(jié)果更加直觀。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的隔水管模型連接結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為圖2的I部局部放大視圖；
圖4為圖2的II部局部放大視圖；
圖中，1_光源，2-水池，3-攝像機(jī)A, 4-攝像機(jī)B, 5-對(duì)照板A, 6-對(duì)照板B, 7-計(jì)算機(jī)，8-隔水管，9-電機(jī)支撐架，10-連接板，11-L板，12-絲桿螺母副A，13-絲桿螺母副B，14-絲桿螺母副C，15-控制箱，16-液壓缸I，17-張力支撐板，18-上鉸接件，19-隔水管懸掛器，20-拉力傳感器A，21-水泵，22-伺服電機(jī)B，23-聯(lián)軸器，24-下鉸接件，25-軸承座，26-滾動(dòng)軸承，27-液壓缸II，28-鉆柱，29-拉力傳感器B，30-橫梁，31-懸掛桿，32-多普勒流剖面儀，33-橫梁支架，34-上夾持刀桿，35-固定支撐座，36-電機(jī)支架，37-下夾持刀桿，38-內(nèi)流泵，39-下三通管道，40-上三通管道。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述: 如圖1和圖2所示，一種基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)系統(tǒng)，它包括由透明材質(zhì)組成的水池2、計(jì)算機(jī)7、運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)裝置、橫梁30、內(nèi)流泵38和控制箱15，水池2的外壁面上安裝有水泵21、光源1、平行水流方向的攝像機(jī)A3和對(duì)照板A5、垂直水流方向的攝像機(jī)B4和對(duì)照板B6，水泵21的出水口與水池2內(nèi)部連通，橫梁30垂直于對(duì)照板A5且設(shè)置在水池2的頂部，攝像機(jī)A3和攝像機(jī)B4拍攝隔水管8軸向在試驗(yàn)過(guò)程中平行水流方向以及垂直水流方向在不同時(shí)刻的變形特征，而對(duì)照板A5和對(duì)照板B6用于分別與攝像機(jī)A3和攝像機(jī)B4所拍攝的圖像的進(jìn)行對(duì)比。如圖1和圖2所示，運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)裝置由絲桿螺母副A12、絲桿螺母副B13和絲桿螺母副C14組成，絲桿螺母副A12、絲桿螺母副B13和絲桿螺母副C14均由絲桿、螺母、伺服電機(jī)A和機(jī)座組成絲桿螺母副A12，絲桿螺母副A12、絲桿螺母副B13和絲桿螺母副C14相互垂直設(shè)置，絲桿螺母副A12垂直于橫梁30且安裝在橫梁30的頂部，絲桿螺母副B13的機(jī)座設(shè)置在絲桿螺母副A12的螺母上，絲桿螺母副C14的機(jī)座設(shè)置在絲桿螺母副B13的螺母上，絲桿螺母副C14的螺母上設(shè)置有平行于水池2底部的張力支撐板17，絲桿螺母副A12、絲桿螺母副B13和絲桿螺母副C14的螺母能夠分別沿x、y和z方向運(yùn)動(dòng)，因此，只需通過(guò)控制箱15控制絲桿螺母副A12、絲桿螺母副B13和絲桿螺母副C14的伺服電機(jī)A的轉(zhuǎn)速，從而精確的控制連接板10沿x、y和z方向的運(yùn)動(dòng)速度和位移大小，即能夠模擬真實(shí)鉆井過(guò)程中各種平臺(tái)的升沉平移動(dòng)作。如圖2所示，張力支撐板17上設(shè)置有電機(jī)支撐架9，電機(jī)支撐架9與水池2底部之間沿從上到下的方向設(shè)置有順次連接的上部連接結(jié)構(gòu)、隔水管8和下部連接結(jié)構(gòu)，
如圖3所示，上部連接結(jié)構(gòu)由伺服電機(jī)B22、上三通管道40、液壓缸116、連接板10、拉力傳感器A20、隔水管懸掛器19和上鉸接件18組成，伺服電機(jī)B22垂直于張力支撐板17且設(shè)置在電機(jī)支撐架9的頂部，伺服電機(jī)B22的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器23連接上夾持刀桿34,伺服電機(jī)B22上設(shè)置有電機(jī)支架36，電機(jī)支架36上設(shè)置有固定支撐座35，上夾持刀桿34旋轉(zhuǎn)安裝于上固定支撐座35的軸孔內(nèi)并通過(guò)鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)上夾持刀桿34沿其軸線方向的定位，固定支撐座35的下端設(shè)置有上三通管道40，上夾持刀桿34的下端伸入上三通管道40內(nèi)，液壓缸116垂直于張力支撐板17且設(shè)置在張力支撐板17的底部，液壓缸116活塞桿上設(shè)置有平行于張力支撐板17的連接板10，連接板10的頂部設(shè)置有上鉸接件18，連接板10的底部順序設(shè)置有拉力傳感器A20和隔水管懸掛器19，能夠?qū)崟r(shí)的測(cè)量隔水管8所受張力的大小，所述的上三通管道40的另一端穿過(guò)張力支撐板17且設(shè)置在上鉸接件18內(nèi)。
[0016]如圖4所示，下部連接結(jié)構(gòu)由液壓缸1127、拉力傳感器B29、軸承座25、下三通管道39、L板11、下鉸接件24和下夾持刀桿37組成，L板11的長(zhǎng)板和液壓缸1127均垂直于水池2底部且設(shè)置在水池2的底部，下鉸接件24設(shè)置在L板11的短板上，下鉸接件24的下端連接有下三通管道39，液壓缸1127的活塞桿上設(shè)置有外螺紋，軸承座25的底部設(shè)置有內(nèi)螺紋且軸承座25內(nèi)設(shè)置有滾動(dòng)軸承26，液壓缸1127活塞桿的外螺紋與軸承座25的內(nèi)螺紋連接，下夾持刀桿37的一端安裝在滾動(dòng)軸承26內(nèi)，下夾持刀桿37的另一端伸入下三通管道39內(nèi)，液壓缸1127的活塞桿的外螺紋上連接有拉力傳感器B29，拉力傳感器B29能夠?qū)崟r(shí)的測(cè)量鉆柱28所受張力的大小，且拉力傳感器B29設(shè)置在軸承座25和液壓缸1127之間。
[0017]如圖2-4所示，隔水管8的一端與隔水管懸掛器19連接，隔水管8的另一端設(shè)置在下鉸接件24內(nèi)，鉆柱28設(shè)置于隔水管8內(nèi)且鉆柱28的上端安裝于上夾持刀桿34上，鉆柱28的下端安裝于下夾持刀桿37上。
[0018]如圖1所不，橫梁30的底部設(shè)置有兩個(gè)垂直于橫梁30的懸掛桿31,兩個(gè)懸掛桿31與橫梁30螺紋連接，兩個(gè)懸掛桿31的下部分別連接有多普勒剖面流速儀32，多普勒剖面流速儀32能夠?qū)⒏羲?附近水流流剖面實(shí)時(shí)反饋給計(jì)算機(jī)7，所述的內(nèi)流泵38的出水口與下三通管道39連接。
[0019]如圖1和圖2所示，內(nèi)流泵38、控制箱15、攝像機(jī)A3、攝像機(jī)B4、光源1和兩個(gè)多普勒剖面流速儀32均與計(jì)算機(jī)7連接，絲桿螺母副A12、絲桿螺母副B13、絲桿螺母副C14的伺服電機(jī)A和伺服電機(jī)B22均與控制箱15連接，計(jì)算機(jī)7可根據(jù)需要調(diào)節(jié)光源1的強(qiáng)弱和調(diào)節(jié)攝像機(jī)A3和攝像機(jī)B4的焦距。
[0020]如圖1和圖3所示，橫梁30的頂部設(shè)置有橫梁支架33，絲桿螺母副A12垂直于橫梁30的長(zhǎng)邊且焊接在橫梁支架33上，張力支撐板17的底部設(shè)置有兩個(gè)液壓缸116，兩個(gè)液壓缸116關(guān)于隔水管8對(duì)稱設(shè)置。
[0021]一種基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)方法，它包括以下步驟:
51、調(diào)節(jié)水池2參數(shù)，先通過(guò)調(diào)節(jié)水泵21流量，從而改變管道中水流速度，以達(dá)到改變每層水流流速的目的，再通過(guò)多普勒剖面流速儀32的實(shí)時(shí)反饋模擬的海流速度進(jìn)行必要的水池參數(shù)修正從而進(jìn)行校流，以此確保試驗(yàn)所需海洋環(huán)境的準(zhǔn)確施加；
52、隔水管8張力施加，通過(guò)控制液壓缸116的活塞桿伸出帶動(dòng)連接板10向下運(yùn)動(dòng)，連接板10給拉力傳感器A20施加壓力，拉力傳感器A20實(shí)時(shí)的測(cè)量隔水管8張力施加的大小，從而實(shí)現(xiàn)隔水管8張力的施加；
53、鉆柱張力施加，流水泵21輸出的鉆井液通過(guò)下三通管道39進(jìn)入隔水管8內(nèi)部并向上流動(dòng)，控制液壓缸1127的活塞桿伸出帶動(dòng)軸承座25向上運(yùn)動(dòng)，最終從上三通管道40的出水口流出，并通過(guò)控制液壓缸1127的活塞桿伸出帶動(dòng)軸承座25向上運(yùn)動(dòng)，液壓缸1127的活塞桿給拉力傳感器B29施加壓力，從而實(shí)現(xiàn)鉆柱28張力的施加；
54、鉆柱28轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，通過(guò)控制箱15實(shí)時(shí)控制伺服電機(jī)B22的轉(zhuǎn)速，伺服電機(jī)B22通過(guò)聯(lián)軸器23帶動(dòng)上夾持刀桿34轉(zhuǎn)動(dòng)，上夾持刀桿34帶動(dòng)鉆柱28轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鉆柱28轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；
55、先通過(guò)攝像機(jī)A3和攝像機(jī)B4拍攝隔水管8軸向在試驗(yàn)過(guò)程中平行水流方向以及垂直水流方向在不同時(shí)刻的變形特征，再將拍攝的圖片分別與對(duì)照板A5和對(duì)照板B6圖像的對(duì)比，并基于圖像處理技術(shù)以及攝像機(jī)、隔水管與對(duì)照板的視角換算獲得試驗(yàn)過(guò)程中隔水管8軸向不同位置在平行水流方向以及垂直水流方向上的位移時(shí)間歷程，繼而獲得試驗(yàn)過(guò)程中的隔水管8的變形特征與振動(dòng)特征。
【權(quán)利要求】
1.一種基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:它包括由透明材質(zhì)組成的水池(2)、計(jì)算機(jī)(7)、運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)裝置、橫梁(30)、內(nèi)流泵(38)和控制箱(15)，水池(2)的外壁面上安裝有水泵(21)、光源(I)、平行水流方向的攝像機(jī)A(3)和對(duì)照板A (5)、垂直水流方向的攝像機(jī)B (4)和對(duì)照板B (6)，水泵(21)的出水口與水池(2)內(nèi)部連通，橫梁(30)垂直于對(duì)照板A (5)且設(shè)置在水池(2)的頂部，所述的運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)裝置由絲桿螺母副A (12)、絲桿螺母副B (13)和絲桿螺母副C (14)組成，絲桿螺母副A(12)、絲桿螺母副B (13)和絲桿螺母副C (14)均由絲桿、螺母、伺服電機(jī)A和機(jī)座組成絲桿螺母副A (12)，絲桿螺母副A (12)、絲桿螺母副B (13)和絲桿螺母副C (14)相互垂直設(shè)置，絲桿螺母副A (12)垂直于橫梁(30)且安裝在橫梁(30)的頂部，絲桿螺母副B (13)的機(jī)座設(shè)置在絲桿螺母副A (12)的螺母上，絲桿螺母副C (14)的機(jī)座設(shè)置在絲桿螺母副B (13)的螺母上，絲桿螺母副C (14)的螺母上設(shè)置有平行于水池(2)底部的張力支撐板(17 )，張力支撐板(17 )上設(shè)置有電機(jī)支撐架(9 )，電機(jī)支撐架(9 )與水池(2 )底部之間沿從上到下的方向設(shè)置有順次連接的上部連接結(jié)構(gòu)、隔水管(8)和下部連接結(jié)構(gòu)， 所述的上部連接結(jié)構(gòu)由伺服電機(jī)B(22)、上三通管道(40)、液壓缸1(16)、連接板(10)、拉力傳感器A (20)、隔水管懸掛器(19)和上鉸接件(18)組成，伺服電機(jī)B (22)垂直于張力支撐板(17)且設(shè)置在電機(jī)支撐架(9)的頂部，伺服電機(jī)B (22)的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器(23)連接上夾持刀桿(34)，伺服電機(jī)B (22)上設(shè)置有電機(jī)支架(36)，電機(jī)支架(36)上設(shè)置有固定支撐座(35)，上夾持刀桿(34)旋轉(zhuǎn)安裝于上固定支撐座(35)的軸孔內(nèi)并通過(guò)鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)上夾持刀桿(34)沿其軸線方向的定位，固定支撐座(35)的下端設(shè)置有上三通管道(40)，上夾持刀桿(34)的下端伸入上三通管道(40)內(nèi)，液壓缸I (16)垂直于張力支撐板(17)且設(shè)置在張力支撐板(17)的底部，液壓缸I (16)活塞桿上設(shè)置有平行于張力支撐板(17)的連接板(10)，連接板(10)的頂部設(shè)置有上鉸接件(18)，連接板(10)的底部順序設(shè)置有拉力傳感器A (20)和隔水管懸掛器(19)，所述的上三通管道(40)的另一端穿過(guò)張力支撐板(17)且設(shè)置在上鉸接件(18)內(nèi)， 所述的下部連接結(jié)構(gòu)由液壓缸II (27)、拉力傳感器B (29)、軸承座(25)、下三通管道(39 )、L板(11)、下鉸接件(24 )和下夾持刀桿(37 )組成，L板(11)的長(zhǎng)板和液壓缸II (27)均垂直于水池(2)底部且設(shè)置在水池(2)的底部，下鉸接件(24)設(shè)置在L板(11)的短板上，下鉸接件(24)的下端連接有下三通管道(39)，液壓缸II (27)的活塞桿上設(shè)置有外螺紋，軸承座(25)的底部設(shè)置有內(nèi)螺紋且軸承座(25)內(nèi)設(shè)置有滾動(dòng)軸承(26)，液壓缸II (27)活塞桿的外螺紋與軸承座(25)的內(nèi)螺紋連接，下夾持刀桿(37)的一端安裝在滾動(dòng)軸承(26)內(nèi)，下夾持刀桿(37)的另一端伸入下三通管道(39)內(nèi)，液壓缸II (27)的活塞桿的外螺紋上連接有拉力傳感器B (29)，且拉力傳感器B (29)設(shè)置在軸承座(25)和液壓缸II (27)之間， 所述的隔水管(8)的一端與隔水管懸掛器(19)連接，隔水管(8)的另一端設(shè)置在下鉸接件(24)內(nèi)，鉆柱(28)設(shè)置于隔水管(8)內(nèi)且鉆柱(28)的上端安裝于上夾持刀桿(34)上，鉆柱(28)的下端安裝于下夾持刀桿(37)上， 所述的橫梁(30)的底部設(shè)置有兩個(gè)垂直于橫梁(30)的懸掛桿(31)，兩個(gè)懸掛桿(31)的下部分別連接有多普勒剖面流速儀(3 2 )，所述的內(nèi)流泵(3 8 )的出水口與下三通管道(39)連接， 所述的內(nèi)流泵(38)、控制箱(15)、攝像機(jī)A (3)、攝像機(jī)B (4)、光源(I)和兩個(gè)多普勒剖面流速儀(32)均與計(jì)算機(jī)(7)連接，絲桿螺母副A (12)、絲桿螺母副B (13)、絲桿螺母副C (14)的伺服電機(jī)A和伺服電機(jī)B (22)均與控制箱(15)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述的橫梁(30)的頂部設(shè)置有橫梁支架(33)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述的張力支撐板(17)的底部設(shè)置有兩個(gè)液壓缸I (16)，兩個(gè)液壓缸I (16)關(guān)于隔水管(8)對(duì)稱設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求Γ3所述的任意一項(xiàng)所述的一種基于海洋環(huán)境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學(xué)行為試驗(yàn)方法，其特征在于:它包括以下步驟: S1、調(diào)節(jié)水池(2)參數(shù)，先通過(guò)調(diào)節(jié)水泵(21)流量，從而改變管道中水流速度，以達(dá)到改變每層水流流速的目的，再通過(guò)多普勒剖面流速儀(32)的實(shí)時(shí)反饋模擬的海流速度進(jìn)行必要的水池參數(shù)修正從而進(jìn)行校流，以此確保試驗(yàn)所需海洋環(huán)境的準(zhǔn)確施加； S2、隔水管(8)張力施加，通過(guò)控制液壓缸I(16)的活塞桿伸出帶動(dòng)連接板(10)向下運(yùn)動(dòng)，連接板(10)給拉力傳感器A (20)施加壓力，拉力傳感器A (20)實(shí)時(shí)的測(cè)量隔水管(8)張力施加的大小，從而實(shí)現(xiàn)隔水管(8)張力的施加； S3、鉆柱張力施加，流水泵(21)輸出的鉆井液通過(guò)下三通管道(39)進(jìn)入隔水管(8)內(nèi)部并向上流動(dòng)，控制液壓缸II (27)的活塞桿伸出帶動(dòng)軸承座(25)向上運(yùn)動(dòng)，最終從上三通管道(40)的出水口流出，并通過(guò)控制液壓缸II (27)的活塞桿伸出帶動(dòng)軸承座(25)向上運(yùn)動(dòng)，液壓缸II (27)的活塞桿給拉力傳感器B (29)施加壓力，從而實(shí)現(xiàn)鉆柱(28)張力的施加； S4、鉆柱(28)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，通過(guò)控制箱(15)實(shí)時(shí)控制伺服電機(jī)B(22)的轉(zhuǎn)速，伺服電機(jī)B (22)通過(guò)聯(lián)軸器(23)帶動(dòng)上夾持刀桿(34)轉(zhuǎn)動(dòng)，上夾持刀桿(34)帶動(dòng)鉆柱(28)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鉆柱(28)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)； S5、先通過(guò)攝像機(jī)A(3)和攝像機(jī)B (4)拍攝隔水管(8)軸向在試驗(yàn)過(guò)程中平行水流方向以及垂直水流方向在不同時(shí)刻的變形特征，再將拍攝的圖片分別與對(duì)照板A (5)和對(duì)照板B (6)圖像的對(duì)比，并基于圖像處理技術(shù)以及攝像機(jī)、隔水管與對(duì)照板的視角換算獲得試驗(yàn)過(guò)程中隔水管(8)軸向不同位置在平行水流方向以及垂直水流方向上的位移時(shí)間歷程，繼而獲得試驗(yàn)過(guò)程中的隔水管(8)的變形特征與振動(dòng)特征。
【文檔編號(hào)】G01M99/00GK104266854SQ201410388229
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】劉清友, 周守為, 金曉劍 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)